생명물리학과 김인기 교수, Aleksandr Barulin 박사 연구팀은 포스텍 기계공학과/화학공학과 노준석 교수, 박사과정 김예슬씨, 오동교씨 연구팀과 공동 연구를 통해 상온에서 단분자(Single molecule)의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈(Metalens) 장치를 개발해 세계적인 과학 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 논문을 게재했다.

단분자 감지 기술은 바이오센싱, 화학 분석, 분자 역학, DNA 염기서열 분석 및 정밀의학 분야의 핵심 기술로 여겨지고 있다. 단분자를 검출하기 위한 다양한 방법 중에 가장 많이 사용되는 방법 가운데 하나는 형광 상관 분광 기술로(Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS), 분자에서 방출되는 형광 신호들의 상관 함수를 분석하여 각각의 분자의 거동을 관찰할 수 있다. 특히 FCS 기술은 렌즈의 특성에 굉장히 민감하기 때문에, 현재까지 보고된 대부분의 FCS 기술은 해상도가 높은 고배율의, 수차가 보정된 비싼 대물렌즈를 사용하였다.

현장형 감염병 진단 및 맞춤/정밀의학에 대한 수요가 높아짐에 따라 과학자들은 포터블 형태의 바이오센서 및 스마트폰에 연동 가능한 현미경과 같은 새로운 바이오메디컬 디바이스를 개발하려는 노력들을 해오고 있다. 하지만 현재까지 기존의 대물렌즈를 소형화 할 수 있는 기술의 부재로 초소형 형태의 단분자 진단 기기는 개발되지 못하고 있는 실정이다.  

연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 단분자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈 장치를 개발했다(그림 1). 단분자 관찰을 위해서는 높은 집광 효율 및 큰 개구수를 가지며, 동시에 수차가 정교하게 보정된 고품질의 렌즈를 사용해야 한다. 연구팀은 이러한 모든 조건을 만족시키는 메타렌즈를 구현하기 위해 실리콘 기반의 나노 구조를 최적화하였고, 정밀한 나노공정을 통해 디바이스를 제작하였다. 연구팀은 제작된 메타렌즈를 통해 빛의 초점이 맺혀지는 작은 공간을 1.6 nm의 크기의 Alexa 647 단분자가 통과할 때의 움직임을 실시간으로 관측하는데 성공하였다(그림 2).

더 나아가 연구팀은 FCS 분석을 통해 분자의 확산 속도, 용액의 점도를 알 수 있고, 또한 서로 다른 크기의 미세 입자들을(퀀텀닷 및 나노입자) 구분할 수 있는 기술을 구현하였다(그림 3). 이러한 메타렌즈를 통해 휴대용 단분자 측정 시스템에 대한 가능성이 처음으로 증명되었고, 향후 후속 연구를 통해 스마트폰 현미경 및 3D 프린팅된 초소형 현미경에 메타렌즈를 결합해 휴대용 단분자 측정 시스템을 실현하고자 한다. 궁극적으로는 이러한 메타렌즈와 실리콘 포토닉스 칩이 결합된 온-칩 단분자 측정 센서가 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구 결과는 국제학술지인 Nature Communications(IF = 16.6)에 1월 2일 정식 출판되었다. 본 연구는 뇌과학 선도융합기술개발사업, 미래유망융합기술 파이오니어 사업, ERC 선도연구센터, RLRC 지역혁신 선도연구센터, 나노커넥트, 포스코 산학연 융합연구소 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다.

※ 논문명: Dual-wavelength metalens enables epi-fluorescence detection from single molecules

▲ 그림1. 메타렌즈 기반 단분자 측정 시스템 모식도

▲ 그림2. 메타렌즈를 통해 측정된 Alexa 647 단분자 측정 결과 그래프

▲ 그림3. 메타렌즈로 측정된 다양한 단일 미세 입자 구분 기술